S698系列處理器軟件調試工具V8MON的設計與應用

　　1 引言

　　在嵌入式軟件開發中，調試是一個重要的環節，調試工具是衡量軟件開發環境優劣的重要因素。可以說嵌入式交叉調試器是嵌入式系統開發者使用最多的工具，也是整個開發周期中使用時間最長的工具。

　　目前基于SPARC核的嵌入式處理器已經成為歐美市場的主流，2003年珠海歐比特控制工程股份有限公司成功研制出國內第一款SPARC V8架構32位嵌入式處理器S698，經過幾年發展，S698已成為系列化產品，有軍品級、商業級、多處理器類型等，并廣泛應用于國防、航空、通信等領域。

　　V8MON是歐比特公司自主研發的基于S698系列處理器的軟件調試器，可以運行于Windows以及Linux平臺，具有使用簡捷、接口豐富等特點，同時也可運用于其它SPARC V8架構的處理器平臺。V8MON的調試功能主要包括：程序下載、運行、內存讀寫、反匯編、斷點設置、數據跟蹤等。

　　2 調試原理

　　2.1 交叉調試

　　嵌入式系統中的軟件調試與桌面軟件的調試有很大的不同。調試嵌入式系統時，調試器和被調試程序往往是物理上分離的。調試器運行在宿主機上，而被調試程序運行在目標機上，宿主機與目標機之間通過某種媒介進行通信。通常情況下，還要在目標機上運行一個稱為調試代理(Debug Agent)的監控程序，由它來負責與運行在宿主機上的調試器進行通信，控制被調試程序的執行，并將被調試程序的執行情況及時反饋給調試器。

　　使用調試代理軟件的最大的缺點是占用目標系統的資源，消耗處理器時間，造成應用程序的最終運行環境和調試環境有差異，且影響被調試程序的運行。目前一些高端處理器都內置有硬件調試邏輯單元，可以通過硬件方式完成調試過程中的通訊、控制工作，且不占用系統資源，不影響程序的運行，不需要調試代理程序的參與。

　　S698系列處理器的內部就集成有調試單元DSU(Debug Support Unit)，DSU可以獨立于IU處理單元在內部AHB總線上產生讀寫時序，所以可以直接到訪問處理器上的各種資源(如內存空間、片內寄存器、ROM地址等)。

　　V8MON調試器運行在主機端，通過串口、以太網等方式與目標硬件系統相連，通過收送指令的方式與DSU調試單元進行交互，從而完成對目標系統的調試。可以看到這種調試模式無需在硬件系統上燒寫監控調試軟件，也不需要借助硬件仿真器，甚至不需要硬件處理單元的參與。V8MON除了與DSU通訊之外，還要完成對人機接口，以及文件解析、GDB協議分析等功能，其完整的模塊結構如圖1所示。

　　圖1 V8MON連接結構圖

　　V8MON不僅可以設置軟件斷點(指令級中斷)，還可以設置硬件斷點。通過寫DSU調試單元中斷點寄存器的值可以進行硬件斷點設置，V8MON不僅對地址還可以對數據以及總線的信號進行復雜的觸發控制設定，從而滿足對特定事件的中斷響應，增加了靈活性，同時可以在ROM中設置斷點和觀察點，極大地方便調試。

　　V8MON還提供追蹤功能，可以不停止CPU的運行而實時監視芯片總線的信息，這些信息存儲在處理器內部的trace buffer中， V8MON可以隨時讀取這些信息，從而根據這些數據信息重現處理器的歷史狀態、數據以及程序流程等。合理使用此功能，用戶可以得到細致、準確的運行分析數據，而又不必借助任何硬件設備，可以大大降低分析的成本。

　　2.2 gdb連接

　　V8MON有兩種操作模式：命令行模式和GDB模式。在命令行模式下，V8MON命令通過窗口終端控制臺手工輸入，V8MON通過DSU協議把指令傳輸給目標系統DSU調試單元;在GDB模式下，V8MON作為一個網關，V8MON首先把客戶端通過遠程GDB協議發過來的GDB命令翻譯為調試指令，再通過DSU協議把調試指令傳輸給目標系統DSU調試單元。

　　Gdb是GNU軟件序列中的調試工具，Gdb可以調試各種程序，包括C、C++、JAVA、PASCAL、FORAN和一些其它的語言，支持現有的大部分處理器平臺，即可用于上位機軟件調試，也可用于嵌入式軟件交叉調試。

　　V8MON通過標準socket接口與gdb連接，V8MON為socket服務器端，gdb為客戶端。V8MON和gdb可以在同一個PC機上運行，也可以在兩臺不同的PC上運行，這兩臺機器之間通過以太網相連;連接后用戶可以在主機上用gdb對目標系統進行調試，V8MON在目標系統與gdb之間進行命令轉換，起到橋梁紐帶作用。

　　圖2 V8MON GDB模式調試原理框圖

　　采用gdb調試更關注于軟件本身，較適合對大型應用軟件的調試，用戶可以在高級語言層面調試應用程序，如查看變量，源代碼級單步執行等。同時可以進一步將gdb調試內嵌到到集成開發環境中，從而獲得更直觀、更友好的人機界面，此時用戶的操作全部是在圖形界面下完成，無需了解V8MON的任何操作細節。

　　3 設計實現

　　V8MON大部分由C語言編寫，使用gcc編譯器編譯生成，鏈接了readline、pthread等系統庫，并且對gdbserver、utils等開源軟件包進行了移植。以下是工程的主Makefile文件內容：

　　V8MON內部可以分為3層，包括：命令層，調試驅動層和調試接口層。

　　(1) 命令層：由命令解析器組成，可以解析一般通用的用戶命令以及GDB命令，例如：下載、運行等。

　　(2) 調試驅動層：實現特殊的命令，這些命令與目標處理器的構造相關。V8MON在啟動的時候會掃描目標硬件，檢測當前處理器類型及其配置，如果是支持的處理器，調試驅動層激活，可以執行特殊的調試命令。

　　(3) 接口驅動層：實現調試連接協議(DSU protocol)，通過協議與目標系統的DSU單元通訊。

　　可以看到V8MON的主要工作就是命令/協議的解析以及傳遞，完成數據流由用戶接口到目標系統之間的雙向傳輸。下圖指明V8MON內部的數據傳遞流程，方框中是各協議層數據的原始模型;示例條件為：gdb工作模式，通過串口連接目標系統，用戶輸入內存查看命令。

　　圖3 V8MON內部數據流

　　4 應用舉例

　　通過V8MON的命令行操作，用戶可以開速、簡捷的完成調試操作，V8MON的主要操作項如下文。

　　4.1 文件下載

　　通過load命令可以將一個SPARC V8體系的應用程序下載到目標系統中：

　　V8MON支持的文件格式為elf32-sparc。V8MON內建的ELF解析器，可以將程序的每個功能段正確的下載到對應的鏈接地址上，下載完成后程序運行時的%pc指針指向程序的入口地址。下載過程中，控制臺將輸出段地址、段字節大小、程序入口地址等信息。

　　4.2 程序運行

　　運行程序之前，必須先下載程序，而下載的程序必須確保是經過sparc-rtems或sparc-elf工具鏈編譯得到。

　　目標系統的UART1用來輸出應用程序的打印信息，這些信息并不能從V8MON的控制臺顯示，而如果使用-u參數啟動V8MON，V8MON將初始化目標系統的UART1為回采模式，這樣DSU單元可以讀到從UART1輸出的信息，進而可以在V8MON控制臺上把這些信息顯示出來。

　　4.3 插入斷點和監測點

　　程序下載完后，可以通過break或hbreak命令設置斷點，其中break命令用來添加一個軟斷點(ta 1)，而hbreak命令是通過IU單元的watchpoint寄存器添加插入一個硬斷點，在調試只讀代碼(如程序在ROM中運行)時只能使用硬斷點。

　　一個斷點只能作用于一個字的地址，當程序運行到此地址時，系統切換到調試模式。軟斷點可以設置在基于RAM的代碼段的任何位置，包括禁止trap的區域(如trap處理函數中);S698處理器提供兩個硬斷點，設置硬斷點將凍結系統的trace buffer。

　　例如添加斷點命令：

　
　　查看寄存器

　　在命令行下可以隨時輸入reg命令查看所有窗口寄存器的當前值：

　　也可以使用 reg wn命令查看指定窗口寄存器的值，其中n表示窗口號。使用float指令可以查看FPU寄存器的值(存在FPU運算單元的前提下)。

　　4.4 查看內存

　　可以通過mem命令查看任何內存地址上的內容，mem命令的參數包括目標地址和長度，這兩個參數都可以缺省。如果符號表被加載，可以使用文本符號代替地址。

　　用戶也可以通過disas命令將內存中的內容反匯編成SPARC V8機器指令進行顯示。

　　4.5 使用trace buffer

　　處理器中的trace buffer用來保存最近的執行指令以及最近的AHB總線上的傳輸數據，V8MON啟動時自動使能trace buffer，啟動后用戶也可以通過tmode命令使能或禁止trace buffer。ahb/inst/hist分別用來顯示trace buffer中的內容。trace buffer在調試時可以起到輔助作用。

　　4.6 多處理器支持

　　在多核處理器(例如S698P4)系統中，可以使用cpu命令來切換各處理器的調試狀態。在對稱多核處理器中，處理器的編號為0～n-1，n表示處理器個數。每個處理器可以設置為使能、禁止兩種狀態，處理器使能后，將響應run、cont、go等命令。當處理器禁止時，將處于掛起狀態，不響應V8MON的任何指令。使用cpu enable n 命令將使能對應處理器，cpu disable n 命令將禁止對應處理器。系統允許同時有多個處理器被使能，但同時只能有一個處理器被激活。所有的調試命令如查看寄存器、增加斷點等只對被激活的處理器有效。

　　可以使用gdb來調試多處理器系統，gdb連接后，當前被激活的處理器負責接收gdb命令。

　　5 結束語

　　調試器不僅是軟件除錯的工具，也是硬件除錯必不可少的工具，選好調試器、用好調試器、理解調試器的原理對嵌入式開發工作都大有裨益。調試技術的理論基礎并不復雜，但是調試本身卻是一門實踐性非常強的技術，只有在不斷的實際操作中才能取得進步，希望本文的講解能夠起到拋磚引玉的作用，引導讀者進入S698調試開發之門。

　　參考文獻：

　　[1] 珠海歐比特控制工程股份有限公司. V8MON用戶手冊. 2009.

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